安普瑞斯，首個(gè)實(shí)現(xiàn)全硅負(fù)極鋰電池的公司？
分類(lèi)：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-02-09
【概要描述】曾有傳言特斯拉要收購(gòu)安普瑞斯公司，這事是否靠譜？
在研發(fā)硅負(fù)極材料的公司里，安普瑞斯是一個(gè)先行者也是現(xiàn)在行業(yè)里的佼佼者。公司的創(chuàng)始人是美國(guó)斯坦福大學(xué)的華人教授崔毅，他的研究組在2008年的Nature子刊上發(fā)表了一篇使用硅納米線作為鋰電池負(fù)極材料的研究文章，至今已被引用超過(guò)6000多次。也就在同一年，他創(chuàng)立了安普瑞斯公司，準(zhǔn)備將硅納米線負(fù)極材料市場(chǎng)化。
在2008年那個(gè)時(shí)代，當(dāng)別的研究人員還在鉆研硅納米顆粒的時(shí)候，崔毅教授已經(jīng)看到了納米顆粒的局限性——反復(fù)的膨脹收縮會(huì)最終導(dǎo)致顆粒破裂，于是提出了硅納米線的概念。如下圖所示，硅納米線像金針菇一樣被生長(zhǎng)在導(dǎo)電金屬箔上，當(dāng)充電時(shí)吸收鋰離子會(huì)變粗變長(zhǎng)。由于其直徑很小（比如89納米），即使全部吸收滿鋰離子也只會(huì)增加到141納米，膨脹比例遠(yuǎn)小于納米顆粒，所以其循環(huán)充電穩(wěn)定性遠(yuǎn)超硅納米顆粒。同時(shí)，因?yàn)楣杓{米線是直接從導(dǎo)電金屬箔上生長(zhǎng)出來(lái)的，所以其連接很穩(wěn)固，經(jīng)歷多次充放電后也不會(huì)脫離金屬箔，從而保持了良好的導(dǎo)電性。利用這樣的硅納米線負(fù)極，崔教授研究組成功測(cè)量到了硅材料的實(shí)際儲(chǔ)能密度為每克4277毫安時(shí)，與理論推測(cè)的硅儲(chǔ)能密度基本一致（每克4200毫安時(shí)）。
安普瑞斯公司在成立后的幾年里潛心研發(fā)，2016年開(kāi)始在中國(guó)無(wú)錫設(shè)廠生產(chǎn)含硅負(fù)極的鋰電池，其能量密度超過(guò)當(dāng)時(shí)同類(lèi)型石墨負(fù)極電池的10%以上，主要供貨給手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備。盡管安普瑞斯的美國(guó)官網(wǎng)早已宣稱(chēng)可生產(chǎn)含100%硅材料的負(fù)極電池，但根據(jù)這個(gè)性能來(lái)推斷，當(dāng)時(shí)在中國(guó)生產(chǎn)的電池可能還未完全實(shí)現(xiàn)100%硅負(fù)極材料，仍然是硅碳復(fù)合型材料。
同年，安普瑞斯美國(guó)公司宣布完成了快速生產(chǎn)線的驗(yàn)證工作。他們采用卷對(duì)卷（Roll-to-roll）流水線集成多個(gè)生產(chǎn)步驟，通過(guò)化學(xué)氣相沉淀法直接在銅箔上生長(zhǎng)三維硅納米線負(fù)極材料。從公司官網(wǎng)公布的一張顯微鏡照片來(lái)看，這個(gè)工藝可以在一張銅箔的兩側(cè)分別生長(zhǎng)出硅納米線，形態(tài)非常均衡，說(shuō)明在沉淀法的工藝控制上已做得非常好。據(jù)官網(wǎng)介紹，通過(guò)此工藝生產(chǎn)出來(lái)的硅納米線負(fù)極厚度只有同類(lèi)型石墨負(fù)極的一半左右，而且同時(shí)具備微觀孔隙和宏觀空隙。宏觀空隙可以理解為不同納米線之間的空間，微觀孔隙則可能指單根納米線內(nèi)部也是中空結(jié)構(gòu)，從而避免納米線的過(guò)度膨脹對(duì)穩(wěn)定性造成損害。
2018年，空中客車(chē)公司研發(fā)的高空太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“和風(fēng)號(hào)”采用了安普瑞斯的全硅負(fù)極電池，一次放飛能在2萬(wàn)米以上的高空持續(xù)飛行25天以上，創(chuàng)造了太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間的新紀(jì)錄?！昂惋L(fēng)號(hào)”無(wú)人機(jī)利用太陽(yáng)能為它的兩個(gè)螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，使它白天能完全依靠太陽(yáng)能運(yùn)轉(zhuǎn)。在夜間，則依靠白天儲(chǔ)存在機(jī)載電池里的能量繼續(xù)飛行。由于使用了能量密度更高的全硅負(fù)極電池，其續(xù)航時(shí)間比之前最高的11天增加了一倍多。
從安普瑞斯提供的下列對(duì)比圖可以看到，不同電池體系能量密度的差異很大。而含全硅負(fù)極的電池不管在重量能量密度，還是在體積能量密度的比較中都超過(guò)其他類(lèi)型的電池，可以達(dá)到435 Wh/kg或1200 Wh/L以上。其體積能量密度的優(yōu)勢(shì)尤其明顯，超過(guò)第二高的電池類(lèi)型幾乎一倍。
安普瑞斯從創(chuàng)立至今已有13年時(shí)間，前后一共融資了1.6億美元，目前還未上市。隨著其全硅負(fù)極流水線工藝的逐漸成熟，預(yù)計(jì)相應(yīng)的產(chǎn)品也將迅速推出占領(lǐng)市場(chǎng)。就在2020年9月特斯拉舉行第一次電池日之前，有流言說(shuō)特斯拉很可能會(huì)收購(gòu)安普瑞斯，并且很可能會(huì)在電池日當(dāng)天宣布。這種猜測(cè)是基于以下兩個(gè)線索：
1. 安普瑞斯公司搬到了特斯拉工廠的街對(duì)面。如下面的衛(wèi)星圖所示。
2. 特斯拉第一次電池日的宣傳網(wǎng)頁(yè)上，背景圖似乎是一張硅納米線的電子掃描電鏡圖。
但是，特斯拉在電池日當(dāng)天并沒(méi)有提及硅納米線負(fù)極材料，也沒(méi)有談到任何與安普瑞斯有關(guān)的內(nèi)容，讓廣大吃瓜群眾撲了個(gè)空。但不管怎樣，這樣的猜測(cè)也從側(cè)面證實(shí)了大家對(duì)硅納米線負(fù)極的看好，以及對(duì)安普瑞斯公司前途的期待。
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參考文獻(xiàn)：
1. 安普瑞斯官網(wǎng)https://www.amprius.com/
2. High-performancelithium battery anodes using silicon nanowires, Nature Nanotechnology 3, 31–35 (2008).
3. Tesla& Amprius — What Is Going On? https://cleantechnica.com/2020/08/26/tesla-amprius-what-is-going-on/
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作者簡(jiǎn)介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國(guó)德克薩斯大學(xué)（奧斯汀）化學(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)能電池開(kāi)發(fā)工作，先后在跨國(guó)企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國(guó)能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國(guó)際期刊審稿工作，擁有國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)17項(xiàng)。
中和儲(chǔ)能公司簡(jiǎn)介：
深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國(guó)“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專(zhuān)注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)提供技術(shù)支持與咨詢(xún)服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性?xún)?chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)：技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢(xún)、及論文寫(xiě)作指導(dǎo)。